18.27, UWM Weterynaria, Biofizyka - ćwiczenia

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z BIOFIZYKI

SPRAWOZDANIE

Temat: Pomiar wilgotności powietrza za pomocą psychrometru. Wyznaczanie stosunku molowego ciepła właściwego gazu przy stałym ciśnieniu do molowego ciepła właściwego przy stałej objętości (c = cp/cv).

1) Parowanie – przejście substancji z fazy ciekłej do fazy gazowej. Polega na odrywaniu się drobin o największej energii od powierzchni cieczy. Zjawisko to zachodzi we wszystkich temperaturach powyżej temperatury topnienia. Tempo procesu parowania zależy od:

1. Temperatury,

2. Wielkości powierzchni parującej,

3. Rodzaju cieczy (wielkości drobin i sił spójności),

4. Ciśnienia (ruch atmosfery).

2) Wrzenie jest to parowanie cieczy całą objętością – gwałtowny skok tempa procesu parowania. By zaszło zjawisko wrzenia ciśnienie pary nasyconej wewnątrz naczynia musi być przynajmniej równe sumie ciśnień hydrostatycznego i atmosferycznego.

3) Izotermy pary - krzywe opisujące proces przemiany par przy stałej temperaturze. Powyżej pewnej temperatury zwanej temperaturą krytyczną substancja może istnieć tylko

w stanie lotnym (stanie krytycznym). Stan krytyczny substancji to taki stan w którym zanika

różnica pomiędzy stanem ciekłym a gazowym. Stan krytyczny można osiągnąć przy

temperaturach wyższych od temperatury krytycznej, która jest wielkością stabelaryzowaną,

różną dla różnych substancji.

4) Parą nasycona nazywamy taką parę, która jest w równowadze

termodynamicznej z cieczą z której powstała. Jeżeli rośnie temperatura to rośnie gęstość i ciśnienie pary nasyconej. Ciśnienie pary nasyconej zależy od temperatury (nie od objętości!). Własności pary nasyconej: gęstość, ciśnienie, temperatura nasycenia, objętość właściwa.

5) Para jest to substancja w stanie lotnym w temperaturze niższej od temperatury krytycznej; da się ją skroplić przez sprężanie bez obniżania temperatury.

6) Gaz jest to substancja w stanie lotnym w temperaturze wyższej od temperatury krytycznej; aby skroplić gaz konieczne jest obniżenie temperatury.

7) Wilgotność bezwzględna powietrza to masa pary wodnej zawarta w 1m3 powietrza. Jej wymiarem jest kg/m3.

W0 = m/V (kg/m3)

8) Wilgotność względna powietrza to stosunek masy pary wodnej m1 zawartej w pewnej objętości powietrza do tej masy pary wodnej m2, którą miałaby para nasycona tej objętości w danej temperaturze:

W = m1/m2

Wilgotność względną wyrażamy zwykle w %:

W = p1/p2 * 100%

gdzie:

p1 – prężność pary wodnej zawartej w powietrzu w pewnej temperaturze;

p2 – prężność pary wodnej nasyconej w tej temperaturze.

9) Psychrometr – przyrząd meteorologiczny do pomiaru wilgotności powietrza, złożony z zestawu dwóch jednakowych termometrów umieszczonych pionowo obok siebie w klatce meteorologicznej, z których jeden wskazuje bieżącą temperaturę powietrza (tzw. termometr suchy) a drugi zaopatrzony jest w batyst, czyli łatwo nasiąkliwy materiał spowijający zbiorniczek termometru (tzw. termometr zwilżony). Przed pomiarem batyst zwilżany jest wodą. Występujące parowanie powoduje utratę ciepła przez zbiorniczek termometru zwilżonego i dlatego temperatura wskazywana przez ten termometr jest zazwyczaj niższa od temperatury termometru suchego, różnica ta jest tym większa im niższa jest wilgotność powietrza. Jedynie w przypadku gdy powietrze jest nasycone parą wodną (wilgotność względna = 100%) parowanie nie występuje i obydwa termometry wskazują jednakową temperaturę. Wyznaczenie dokładnej wilgotności powietrza następuje poprzez podstawienie wskazań obydwu termometrów do tzw. wzoru psychrometrycznego.

p = p1 - k (T1 - T2) b

p - ciśnienie cząstkowe pary w powietrzu;

p1 - prężność pary wodnej nasyconej w temp. mokrego termometru  T2;

T1 - temperatura termometru suchego;

k – stały współczynnik;

T2 - temperatura mokrego termometru;

b – ciśnienie atmosferyczne.

10) Wilgotność powietrza jest czynnikiem o dużym znaczeniu dla zdrowia i funkcjonowania organizmów żywych. Szkodliwa dla zdrowia jest zarówno zbyt mała, jak i zbyt duża wilgotność powietrza atmosferycznego. Zarówno w miastach, jak też i innych terenach zabudowanych, które stosunkowo łatwo nagrzewają się od słońca, wilgotność powietrza ulega zmniejszeniu. W takich warunkach ludzie i zwierzęta nie czują się dobrze i stosunkowo łatwo ulegają osłabieniu. Do poprawy wilgotności przyczyniają się wówczas najlepiej drzewa.

11) I zasada termodynamiki - precyzuje zależność zmiany energii wewnętrznej od dostarczonego ciepła i pracy. Zmiana energii wewnętrznej ciała, lub układu ciał jest równa sumie dostarczonego ciepła i pracy wykonanej nad ciałem /układem ciał.

∆U = Q + W

∆U - zmiana energii wewnętrznej ciała/układu;

Q - ciepło dostarczone do ciała/układu;

W - praca wykonana nad ciałem/układem.

W przypadku układu termodynamicznie izolowanego układ nie wymienia energii z otoczeniem na sposób pracy (W = 0) ani na sposób ciepła (Q = 0), wówczas:

∆U = 0

12) Energia wewnętrzna (oznaczana zwykle jako U lub Ew) – całkowita układu będącą sumą energii i wewnątrzcząsteczkowych układu, a także energii ruchu cieplnego cząsteczek oraz wszystkich innych rodzajów energii występujących w układzie.

Głównymi składnikami energii wewnętrznej są:

- energia kinetyczna ruchu postępowego i obrotowego cząsteczek;

- energia ruchu drgającego atomów w cząsteczce;

- energia potencjalna w polu wzajemnego przyciągania się cząstek;

- energia chemiczna związana z możliwością przebudowy cząstek;

- energia stanów elektronowych;

- energia jądrowa.

13) Ciepło – jeden z dwóch sposobów, obok , przekazywania . Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu (atomów, cząsteczek, jonów) podczas zderzeń elementów tworzących układ, jest formą zmian energii, nie zaś jej rodzajem. Ciepło oznacza również ilość energii wewnętrznej przekazywanej w procesie cieplnym. Aby uniknąć nieporozumień, dla odróżnienia ciepła jako od ciepła jako można używać określenia wymiana cieplna lub cieplny przepływ energii na określenie , a ilość ciepła na wielkość fizyczną określającą zmianę energii wewnętrznej wywołaną tym zjawiskiem.

Ciepło (jako wielkość fizyczna) przepływa między ciałami, które nie znajdują się w (czyli mają różne ) i wywołuje zwykle zmianę temperatur ciał pozostających w kontakcie termicznym. Kontakt termiczny jest warunkiem koniecznym przepływu ciepła.

14) Temperatura – to wielkość fizyczna określająca zdolność układu makroskopowego do przekazywania ciepła; układ o temperaturze wyższej przekazuje ciepło będącemu z nim w kontakcie układowi o temperaturze niższej, aż do wyrównania temperatur. Jednostką temperatury w układzie SI jest Kelwin (K). W termodynamice temperatura jest jednym z parametrów określających stan układu makroskopowego – jest jednakowa dla wszystkich części układu izolowanego od otoczenia, znajdującego się w stanie równowagi termodynamicznej.

15) Gaz doskonały – zwany gazem idealnym jest to abstrakcyjny, matematyczny model , spełniający następujące warunki:

- brak z wyjątkiem odpychania w momencie zderzeń ;

- objętość cząsteczek jest znikoma w stosunku do objętości gazu;

- zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste;

- cząsteczki znajdują się w ciągłym chaotycznym ruchu.

Gaz taki w mechanice klasycznej opisuje , przedstawiające zależność między gazu p, jego V, T i n wyrażoną w :

pV = nRT

gdzie: 

R jest ;

lub

pV = NkT 

gdzie:

k – .

Gaz doskonały to model, słuszny w pełni jedynie dla bardzo rozrzedzonych gazów. W rzeczywistych gazach wzrost ciśnienia powoduje, że zmniejszają się odległości między cząsteczkami oraz powoduje pojawianie się oddziaływań międzycząsteczkowych. Oddziaływania te odgrywają coraz większą rolę gdy maleje temperatura gazu zbliżając się do temperatury . W bardzo wysokich temperaturach zderzenia przestają być sprężyste. Model ten może być jednak stosowany w praktyce do niemalże wszystkich gazów w zbliżonych do . Dla przy dużych gęstościach i ciśnieniach niezbędne jest stosowanie równań uwzględniających te efekty (zob. i ).

16) Gaz rzeczywisty – pojęcie oznaczające , który nie zachowuje się ściśle zgodnie z prawami ustalonymi dla . W praktyce są to wszystkie gazy istniejące w realnym świecie, aczkolwiek przybliżenie gazu doskonałego może w wielu warunkach być do nich z powodzeniem zastosowane. Przybliżenie to zawodzi jednak w skrajnych warunkach, oraz gdy istnieje potrzeba dokonania bardzo dokładnych obliczeń w warunkach zbliżonych do . W pewnych warunkach gaz rzeczywisty można opisać za pomocą uwzględniającego objętości własne cząsteczek gazu oraz niektóre , które teoria gazu doskonałego ignoruje. W skrajnych warunkach jednak zawodzi nawet równanie van der Waalsa, czyli wiążące gazu ( p, V i T).Najczęściej podawane jest dla objętości molowej gazu (dla 1 mola gazu, V = Vm):

gdzie:

a - stała charakterystyczna dla danego gazu, uwzględniająca oddziaływanie między cząsteczkami gazu (cząsteczki gazu przyciągają się, w wyniku czego rzeczywiste ciśnienie gazu na ścianki naczynia jest mniejsze niż w przypadku, gdyby tego oddziaływania nie było);

b - stała charakterystyczna dla danego gazu, uwzględniająca skończone rozmiary cząsteczek, ma wymiar objętości, przez co uznawana jest za objętość mola cząsteczek gazu;

p - ;

Vm = V/n - ;

V - ;

n - (ilość gazu) w ;

T - ;

R ...